Rechenzentren

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E-Mails verschicken, Webseiten bereitstellen, Videos streamen oder Daten in der Cloud verarbeiten – die Anforderungen an moderne Rechenzentren sind hoch. Sie müssen heute rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr zuverlässig funktionieren. Dabei nimmt die Menge der elektronisch verarbeiteten Daten und ihr Austausch über Datennetzwerke stetig zu. Außerdem werden auch klassische Medien wie Radio, Fernsehen und Printangebote zunehmend über das Internet ausgeliefert. Sogar der Festnetzanschluss für das Telefon funktioniert heute zum Beispiel als IP-Telefonie über das Netz. 

Für die Rechenzentren bedeutet dies, dass sie immer höhere Rechenleistungen und immer mehr Speicherplatz zur Verfügung stellen müssen. Dies geht mit einem steigenden Energiebedarf einher. 

Die elektrische Energie, die die Server benötigen, wird vollständig in Wärme umgewandelt. Damit es nicht zu Störungen durch eine zu große Wärmebelastung kommt, sind die Anforderungen an die Klimatisierung von Rechenzentren hoch. Denn nur wenn die entstehende Wärme kontinuierlich und zuverlässig abgeführt wird, kann ein störungsfreier Betrieb der Server garantiert werden.

Dauerhaft zulässige Zulufttemperaturen liegen je nach Qualität der Server und Datenspeichersysteme zwischen 25 und 30 °Celsius. Da in Deutschland selten Außentemperaturen von mehr als 35 °Celsius erreicht werden, können Rechenzentren daher die meiste Zeit mit Außenluft gekühlt werden. Diese sogenannte „freie Kühlung“ wird in neuen Rechenzentren standardmäßig genutzt, häufig in Verbindung mit adiabater Verdunstungskühlung (siehe unten). Bestehende Kühlsysteme können, wenn die baulichen Bedingungen dies zulassen, leicht mit freier Kühlung erweitert und dadurch die Energieeffizienz der Anlagen deutlich erhöht werden. 

Aber auch für die gegebenenfalls verbleibende Klimatisierungstechnik, beispielsweise für Batterieräume oder temperaturempfindliche Technik, gibt es umweltverträgliche Alternativen zu den klassischen Kompressionskälteanlagen.

Folgende Kühlkonzepte können dabei unterschieden werden:

Freie Kühlung unterstützt durch Kompressionskältemaschinen

Ein häufig eingesetztes Kühlkonzept ist die zweistufige indirekte Freikühlung. Die Außenluft wird dazu genutzt, ein Wärmeträgermedium, in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch in einem Wärmeübertrager abzukühlen. Hierzu ist ein Rückkühler auf dem Dach des Gebäudes angebracht, der die Außenluft mit einem Gebläse durch die Kühlrippen eines Luft-Wasser-Wärmeübertragers transportiert. Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird über Wasserleitungen ins Rechenzentrum bzw. den Serverraum gepumpt und nimmt dort in einem zweiten Luft-Wasser-Wärmeübertrager die Wärme der Abluft aus den Servern auf und fließt zurück zum Rückkühler. Die abgekühlte Luft im Rechenzentrum wird über einen im Boden geführten Kanal (Doppelboden) vor die Serverschränke (Racks) gebracht und sorgt so für die erforderliche Zulufttemperatur. Nachdem die Luft die Serverschränke passiert hat und dadurch wärmer geworden ist, wird sie über einen Ventilator zurück zum Wärmeübertrager geführt und beschreibt damit einen Strömungskreislauf, der das Rechenzentrum nicht verlässt. Für den Fall, dass die Außentemperatur (in der Regel im Sommer) zu hoch ist und nicht zur vollständigen Abkühlung des Wasser-Glykol-Gemischs ausreicht, kommt ergänzend eine Kompressionskältemaschine zum Einsatz. In Anlagen bis zirka 500 kW thermisch wird dazu Propan als Kältemittel eingesetzt, in größeren Anlagen kommen auch Ammoniak oder Kohlendioxid als Kältemittel zur Anwendung.

Adiabate Verdunstungskühlung

Statt einer mechanischen Kältemaschine kann zur Rückkühlung der Luft im Rechenzentrum auch das Prinzip der Verdunstungskühlung genutzt werden. Die Luft, die abgekühlt werden soll, wird über einen mit Wasser benetzten Wärmeübertrager geleitet. Dazu werden Pumpen für das zu versprühende Wasser und Ventilatoren für den Lufttransport benötigt. Der Energieaufwand ist im Vergleich zum Kompressor der Kältemaschine mit hoher Leistungsaufnahme deutlich geringer, wodurch auch die Betriebskosten deutlich niedriger ausfallen. Es tritt jedoch ein zusätzlicher Wasserverbrauch auf, der weitere Betriebskosten verursacht. Mit der Verdunstungskühlung kann die Zuluft um 10 Grad Kelvin abgesenkt werden, bei manchen Geräten auch um mehr. Dadurch steigt die Zulufttemperatur ins Rechenzentrum auch bei großer Hitze nie über 30 °Celsius. Adiabate Verdunstungskühlung kann ebenfalls dazu eingesetzt werden, flüssige Wärmeträgermedien abzukühlen, beispielsweise in einem Kühlturm. 

Blockheizkraftwerk und Absorptionskältemaschine

Blockheizkraftwerke (BHKWs) dienen in der Regel dazu, Gebäude mit dauerhaftem Wärmebedarf sowohl mit Heizwärme als auch mit Strom zu versorgen. Typische Anwendungsfälle sind Krankenhäuser, Schwimmbäder oder produzierendes Gewerbe. BHKWs können immer dann wirtschaftlich betrieben werden, wenn sie eine möglichst hohe Auslastung mit vielen Betriebsstunden erreichen. Rechenzentren können deshalb eine ideale Ergänzung zur BHKW-Nutzung darstellen. Mithilfe von Absorptionskältemaschinen kann in der warmen Jahreszeit überschüssige Wärme abgenommen und in Kälte zur Klimatisierung der Rechenzentren umgewandelt werden. Das Prinzip der Absorptionskältemaschine besteht darin, dass ein Kältemittel durch umkehrbare physikalische Prozesse sowohl Kälte abgeben (Absorption) als auch Wärme aufnehmen kann (Desorption). Im Gegensatz zum mechanischen Verdichter in Kompressionskälteanlagen stützt sich der Betrieb einer Absorptionskältemaschine auf deren „thermischer Verdichter“. Absorptionskältemaschinen können analog zu Kompressionskältemaschinen in Anlagenkonzepte zur freien Kühlung eingebunden werden.

Flüssigkeitskühlung im Serverschrak oder direkt im Server

Eine weitere Möglichkeit der Kühlung ist die Flüssigkeitskühlung. Das flüssige Wärmeträgermedium wird dabei direkt in die mit entsprechenden Kühlkörpern ausgestatteten Server geleitet und kühlt dort die Chips. Dieses Kühlkonzept wird regelmäßig beim High-Performance-Computing angewendet, aber auch bei speziell ausgerüsteten Serverkonzepten. Dadurch sind vergleichsweise hohe Vorlauftemperaturen des Wärmeträgermediums von 45 Grad Celsius möglich. Der Rücklauf von ca. 55 Grad Celsius kann ohne Kältemaschine über Rückkühlwerke gekühlt oder im Winter für Heizzwecke genutzt werden. Eine Kombination mit Absorptionskältemaschinen ist ebenfalls denkbar.